煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術研究

文/吳劉洋 羅 虎

水害及瓦斯是影響煤礦安全生產的重大威脅。近年來，隨著礦井開采深度的增加，地質條件越來越復雜，煤層的瓦斯壓力及瓦斯含量隨之增加，煤礦安全生產形勢變得更加嚴峻，針對水害與瓦斯災害的治理手段及措施要求也更加細致、嚴格，導致礦井的開采成本越來越高，開采效率越來越低。為解決這一問題，安徽恒源股份有限公司祁東煤礦基于水害、瓦斯災害治理思路，在祁東煤礦8237工作面進行了煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術研究及實驗施工，有效解決了水害、瓦斯治理與降低開采成本、提高開采效率相矛盾的問題，為礦井水害及瓦斯治理提供了有益借鑒。

一、概況

1.礦井概況

祁東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，水文條件為極復雜型，主采的32、61、71、82、9煤均為突出煤層。礦井設計年產量為180萬t/a，采用兩個水平開采，一水平標高為-420～-600m（風氧化帶下限～回采上限單獨統計），二水平標高為-600～-800m。

2.工作面概況

8237工作面位于井田東翼一水平三采區，該區域地質條件簡單，整體為一單斜構造，傾向在北西向與北東向之間，傾角為10°～15°之間，平均13°，工作面平均傾向寬203m，走向長1550m。8237工作面布置在7135、7137工作面卸壓保護范圍內，實測工作面最大殘余瓦斯含量5.1438m3/t，下伏9煤距82煤法距約10m，9煤在該范圍受巖漿巖侵蝕，純煤厚0.96～1.65m，原始瓦斯含量10.95m3/t。

3.探查及瓦斯治理的必要性

根據《安徽省煤礦防治水和水資源化利用管理辦法》（皖經信煤炭[2017]218號）文件規定，存在陷落柱突水威脅的區域，水文地質條件類型為復雜及以上的礦井的新水平、新采區掘進時，必須同時采用物探、鉆探等方法循環探查工作面前方及頂（底）板富水情況，發現異常立即停止作業。8237風巷、機巷及切眼在掘進施工前必須進行超前探查。

8237工作面采取切頂卸壓沿空留巷技術，“Y”型通風方式進行通風，工作面回采期間瓦斯主要來源：一是工作面裸露煤壁涌出的瓦斯；二是回采過程中落煤瓦斯；三是采空區內遺落煤中解吸出來的瓦斯；四是下伏9煤卸壓瓦斯。

采取分源法預測工作面瓦斯涌出量，下伏9煤卸壓瓦斯占工作面總瓦斯涌出量的比例高達68.4%，在回采過程中下鄰近層9煤受采動影響產生卸壓瓦斯，通過升浮擴散及滲流的作用，從下部通過底板影響帶的裂隙向上部擴散進入采空區，工作面回采期間大量9煤卸壓瓦斯從采空區和綜采支架架間涌出，嚴重制約工作面安全回采。只要8237工作面下伏9煤卸壓瓦斯能夠得到有效治理，就能保證工作面安全高效回采。

二、鉆場及鉆孔布置

1.鉆場布置

為使鉆孔在底板中開孔施工，選擇在三采區東翼1#瓦斯抽采巷聯巷及8237機巷內施工鉆場。三采區東翼1#瓦斯抽采巷聯巷鉆場位于82煤底板、9煤頂板，8237機巷鉆場在巷道上幫按坡度0°施工，鉆場長×寬×高=12m×5.5m×2.6m。

2.鉆孔布置

鉆孔布置在煤層底板砂質泥巖中，距下伏9煤頂板法距2～5m，控制到風巷向上30m，風巷向下90m，鉆孔沿煤層傾向方向間距30m，鉆孔孔深500～550m。

（1）鉆孔施工。三采區東翼1#瓦斯抽采巷聯巷定向鉆場內鉆孔采用ZDY12000LD型全液壓坑道定向鉆機施工，8237機巷定向鉆孔選用ZDY6000LD（B)型全液壓坑道定向鉆機施工。

鉆孔開孔孔徑Φ120mm，施工至不小于21m不大于25m孔深后改用Φ193mm鉆頭擴孔，并埋設Φ146mm、有效長度不小于20m的單層地質管，套管壁厚不小于6.0mm，在套管孔口處加設法蘭盤，安裝孔口閘閥。用水灰比1:1水泥漿液進行注漿固管，養護期不小于72小時，養護期滿后做耐壓試驗，壓力不小于8.1Mpa，且穩定時間不少于30min。耐壓試驗結束后采用定向鉆進技術將鉆孔施工至設計要求位置。

（2）鉆孔壓裂。鉆孔終孔后反復沖洗，將孔內鉆屑盡可能沖出孔外，孔口安裝注漿盤，利用2ZBQ-10/16型風動注漿泵將靜壓水加壓通過注漿管壓入孔內，對鉆孔進行反復壓裂，壓裂后孔內下入鉆具采用壓風吹凈孔內積水。全部完成后并入抽采系統進行抽采。

三、煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術

為達到一孔多用的目的，在工作面區段采掘活動前施工鉆場沿著煤層底板向切眼方向布置定向長鉆孔，進行超前探查及瓦斯抽采。在采掘活動前后，定向長鉆孔起到超前探查、采前預抽、采中攔截臨近層卸壓瓦斯作用。

1.超前探查

定向長鉆孔在掘進活動前，首先作為超前探查鉆孔探清工作面前方底板富水、地質構造等情況，發現異常立即停止作業。

2.采前預抽

對定向長鉆孔利用高壓水進行壓裂，使煤層底板及下伏煤層頂板原生裂隙及次生裂隙張開，裂隙之間相互溝通，通過多次重復壓裂沖洗，促進裂隙延伸，在高負壓抽采的狀態下，本煤層及下伏煤層瓦斯通過裂隙滲透至鉆孔，最終被抽送至地面進行利用，進一步降低了煤層的瓦斯壓力及瓦斯含量。

3.采中攔截臨近層卸壓瓦斯

在工作面回采過程中由于圍巖及臨近層卸壓，裂隙大量發育，工作面下伏9煤瓦斯大量解吸，定向長鉆孔這時起到了攔截臨近層瓦斯的作用，回采時下臨近層瓦斯涌出量減少，保證工作面安全高效回采。

四、效果分析

1.超前探查效果

通過對8237風巷進行超前探查，查明了巷道底板及側幫底板水文地質情況，且各孔施工期間均未出水，無水文異常情況，保證巷道安全掘進。

2.采前抽采效果

鉆孔通過使用高壓水進行壓裂后，鉆孔的抽采濃度由未壓裂時的2%～7%增加到壓裂后的62%～86%，單孔抽采純量由接近0上升到0.26m3/min。

3.采中攔截臨近層卸壓瓦斯效果預測

參照8231工作面下伏9煤定向攔截卸壓瓦斯鉆孔的抽采效果，單孔最大抽采濃度90%，最大抽采純量3.09m3/min。采取施工定向攔截卸壓瓦斯鉆孔治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均在50%以上，工作面最大回風瓦斯濃度降到0.5%以下，上隅角瓦斯濃度由頻繁超限降到0.8%以下，瓦斯治理效果十分明顯。

4.工程效果

鉆孔施工工效高、安全風險低，避免普通鉆機施工時搬家挪移頻繁帶來的安全問題；鉆孔工程量小、節省大量材料費用，將超前探查鉆孔與瓦斯治理鉆孔相結合，通過定向鉆機進行施工，工程量降低62%，工程費用降低43.7%；常規鉆孔進行探查需停止迎頭掘進工作，每次探查施工時間需15天，整個巷道共需探查7次，利用機巷鉆場對風巷進行探查可提前施工，無需停止風巷掘進工作，減少影響時間。

五、結論

通過對煤層底板定向超前探查鉆孔“一孔多用”技術研究及試驗施工，并對施工效果進行綜合分析可知，此項技術無論在安全效果、工程費用、抽放效果，還是在工程量方面，相對傳統施工方案都具有極大的優勢，持續應用后將成為煤礦水害及瓦斯治理和降本增效的一項有效舉措。